Studie entdeckt genetische Methode zur Identifizierung vielversprechender Hunderte von Krankheitserregern

Studie entdeckt genetische Methode zur Identifizierung vielversprechender Hunderte von Krankheitserregern

Newswise – Im Streben nach einer genauen Krankheitsdiagnose haben Kliniker traditionell mehrere Methoden angewendet – darunter das Sammeln von Patientenproben auf einer Vielzahl von Medien, das Überprüfen unzähliger Krankenakten und das Analysieren klinischer Daten mithilfe komplexer mathematischer Algorithmen – um zu versuchen, Bakterien, Viren, Pilze oder Andere Erreger, die für die Infektion verantwortlich sind. Die Jagd ist oft langsam und mühsam, und die verwendeten Verfahren sind möglicherweise nicht umfangreich genug, um bestimmte Krankheitserreger zu finden.

Eine Lösung könnte die Sequenzierung der nächsten Generation (NGS) laut den Ergebnissen einer aktuellen Studie von Forschern der Johns Hopkins Medicine sein. NGS ermöglicht Ärzten die gleichzeitige Sequenzierung mehrerer in Patientenproben vorhandener DNA-Stränge und die Verwendung dieser Analyse zur schnellen und genauen Identifizierung einzelner Krankheitserreger – unter Hunderten von Verdächtigen.

In einem Artikel, der am 13. Juni 2022 erstmals online in der American Society for Microbiology veröffentlicht wurde Zeitschrift für klinische MikrobiologieIn dieser Studie verglichen die Forscher die Fähigkeit des NGS-Systems zum Nachweis von Krankheitserregern – Panel für infektiöse Atemwegserkrankungen/antimikrobielle Resistenz (RPIP) – mit dem zuvor untersuchten NGS-System und diagnostischen Standardmethoden (SOC) für Proben, die durch bronchoalveoläre Lavage gewonnen wurden. Dabei wird das Bronchoskop durch Mund oder Nase in die Lunge eingeführt und anschließend eine zur Untersuchung gesammelte Flüssigkeit ausgewaschen.

Die Forscher glauben, dass ihre Studie eine der ersten ist, die NGS- und SOC-Diagnosen für Atemwegserreger vergleicht.

„Wir haben zwei NGS-Diagnosetechniken evaluiert, darunter RPIP, und festgestellt, dass in beiden Fällen die Fähigkeit von NGS, spezifische Krankheitserreger zu identifizieren, nahezu vergleichbar mit dem Spektrum diagnostischer Tests war, die Kliniker seit Jahrzehnten verwenden“, heißt es in der Studie. außerordentlicher Professor für Pathologie an der Johns Hopkins University School of Medicine. „Obwohl dies für die RPIP- und NGS-Diagnostik im Allgemeinen sehr vielversprechend ist, sind wir der Meinung, dass weitere Arbeit erforderlich ist, um die Technologie zu verbessern, bevor NGS als gleichwertig oder besser als aktuelle SOC-Methoden angesehen werden kann.“

In ihrer Studie bewerteten Simner und Kollegen zunächst das diagnostische Potenzial von NGS-Metagenomik, einem zuvor untersuchten Workflow-Prozess, bei dem die gesamte DNA aus der bronchoalveolären Lavage – einschließlich des einzigartigen genetischen Materials eines Patienten („Host Reads“ oder „The Host Reads“) wird sequenziert, vom Menschen „gelesen“) und gewünschte Krankheitserreger („Mikroben-Lesen“). Das Entfernen der DNA des Wirts ermöglicht es Klinikern, ihre Suche auf das verbleibende genetische Material zu konzentrieren, in der Hoffnung, die Mikroben zu finden, die gelesen wurden, und schließlich die Ursache zu bestimmen der Krankheit des Patienten.

Im zweiten Teil ihres Experiments bewerteten die Forscher einen anderen NGS-Ansatz unter Verwendung des RPIP-Systems namens Targeted NGS. Bei dieser Methode wird alles in der Atemwegsprobe eines Patienten wie bei metagenomischem NGS sequenziert, aber Fangsonden – kleine einzelsträngige DNA-Fragmente, die strukturell mit der DNA bestimmter Krankheitserreger kompatibel sind – werden verwendet, um die Suchfähigkeit zu verbessern.

Erklärt der Hauptautor der Studie, David Gaston, MD, PhD, ein ehemaliger Fellow in Pathologie an der Johns Hopkins University School of Medicine, jetzt am Vanderbilt University Medical Center. „Bei metagenomischer NGS müssen Sie alle Bücher lesen, um diejenigen zu finden, die sich auf das Thema beziehen. Aber bei der gezielten NGS müssen Sie zuerst den Bibliothekar bitten, die Bände zu entnehmen, die wahrscheinlich das Thema enthalten, und dann gezielter und genauer vorgehen vielversprechende Suche.“

Die Forscher fanden heraus, dass die Wirksamkeit sowohl von metagenomischem als auch von zielgerichtetem NGS je nach Art des erforderlichen Organismus variiert. Sie berichten, dass beide NGS-Methoden bei der Identifizierung von Viren erfolgreich sind, wobei Herpesviren leichter erkannt werden. Die Ergebnisse für Bakterien und Mykobakterien (zu denen der Erreger der Tuberkulose gehört) näherten sich dem diagnostischen SOC-Niveau, nahmen jedoch mit abnehmender Anzahl der Organismen ab – selbst bei Verwendung von Fangsonden in zielgerichteten NGS. Keine der NGS-Methoden hat Pilze gut erkannt.

Insgesamt stellten die Forscher fest, dass der gezielte Arbeitsablauf von RIPP in 66 % der Fälle mit konventionellen Diagnosen übereinstimmt. Genauer gesagt, beobachteten sie eine 46-prozentige Zustimmung zum Ziel-NGS zum Nachweis von Krankheitserregern von klinischer Bedeutung und eine Zustimmung von 86 % zum Nachweis der Abwesenheit von Krankheitserregern.

Neben der Möglichkeit, mehr als 300 pathogene Organismen aus der bronchoalveolären Lavage genau zu identifizieren, sind die Forscher der Ansicht, dass die gezielte NGS auch viel versprechend für einen Tag ist, um etwa 1.200 genetische Marker in Krankheitserregern nachweisen zu können, die anzeigen, welche Organismen wahrscheinlich gegen Antibiotika resistent sind.

„Insgesamt nähert sich die aktuelle Genauigkeit sowohl von metagenomischen als auch von Ziel-NGS der aktueller diagnostischer Verfahren an, und dies ist ein wichtiges Ergebnis unserer Studie“, sagt Gaston. „Wir haben festgestellt, dass NGS viele, aber nicht alle Krankheitserreger erkennen kann, und in einigen Fällen können beide NGS-Methoden Krankheitserreger identifizieren, die herkömmliche Diagnosen nicht übersehen haben.“

„Es gibt derzeit Vor- und Nachteile, NGS als mikrobiologisches Diagnoseinstrument einzusetzen“, sagt Siemner. „Zum Beispiel erfordert der RPIP-Target-Workflow mehr Zeit und Reagenzien, erfordert aber weniger bioinformatische Analysen der resultierenden Daten. Andererseits ist metagenomisches NGS technisch weniger anspruchsvoll, erfordert jedoch eine komplexere Analyse.“

Basierend auf ihren Ergebnissen sind die Forscher der Meinung, dass sowohl metagenomische als auch gerichtete NGS-Arbeitsabläufe derzeit als Ergänzung, aber nicht als Ersatz für SOC-Diagnosetechniken betrachtet werden können. Sie glauben, dass NGS-Systeme mit weiterer Verfeinerung eines Tages zu Standards für die Diagnose von Krankheitserregern der Atemwege werden könnten.

Neben Gaston und Simner sind Karen Carroll, Jon Wessel, Ethan Gough, Emily Jacobs, Ellie Klein, Heather Miller und Jejun Wu Mitglieder des Studienteams von Johns Hopkins Medicine.

Die Studie wurde vom Sherine and Ken Fisher Center for Environmental Infectious Diseases in der Abteilung für Infektionskrankheiten der Johns Hopkins University School of Medicine unterstützt. Studienmaterialien – einschließlich des RPIP-Panels und des automatisierten Systems Explify zur Analyse der Bioinformatik von RPIP-gerichteten NGS-Daten – wurden von ihren jeweiligen Herstellern, Illumina und IDbyDNA, bereitgestellt.

Die Forscher berichteten jedoch, dass diese Parteien keine Rolle beim Studiendesign, der Datenerhebung und -interpretation oder der Entscheidung, die Arbeit zur Veröffentlichung einzureichen, spielten.

Studienautoren geben keinen Interessenkonflikt an.

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